РОЗДІЛ 2
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ КРИСТАЛІЗАЦІЇ
2.1.Розроблення математичної моделі утфельного вакуум-апарату у термінах уніфікованої мови моделювання UML
Моделювання періодичних процесів є актуальною задачею для їх автоматизації, а у випадку процесів в утфельних вакуум-апаратах періодичної дії ця задача набуває особливої уваги, оскільки утфельні вакуум-апарати є кінцевими ланками у виробництві цукру і від них в великій мірі залежить якість готового продукту. Автоматизація з використанням найсучасніших підходів потребує постійного вдосконалення. Мета моделювання процесу кристалізації цукру полягає у вивченні його ведення в різних ситуаціях, а також знаходження ефективних та оптимальних умов проведення даного процесу на виробництві.
Традиційні методи процедурного програмування та моделювання не можуть подолати складність, пов'язану з процесом варіння утфелю. Тому розвиток об'єктно-орієнтованого моделювання автоматизованих технологічних комплексів з апаратами періодичної дії, зараз все більше пов'язують з уніфікованою мовою моделювання UML (Unified Modeling Language) [45, 46, 55]. Використання даної мови програмування пов'язане не тільки зі складністю процесу, який моделюється, але із великими інтелектуальними витратами для розробки такої моделі. Раніше в моделюванні таких складних процесів, як кристалізація цукру, повинні були брати участь спеціалісти з різних областей, а за допомогою уніфікованої мови моделювання їх участь зводиться до мінімуму.
Комп'ютерне моделювання цих систем виконується у такій послідовності: 1) опис системи у термінах UML; 2) реалізація моделі системи з допомогою підсистеми Simulink пакета Matlab чи подібного пакета; 3) аналіз результатів комп'ютерного моделювання.
Для опису в термінах UML періодичних процесів вакуум-апарату в його циклі виділені такі стадії і операції: перша стадія - завантаження апарату (операції - створення розрідження в апараті та набір розчину); друга - згущення розчину (припинення набору і подання пари); третя - утворення кристалів (подання пудри або пасти та її припинення); четверта - нарощування кристалів; п'ята - уварювання утфелю (закінчення підживлення та уварювання); шоста - вивантаження утфелю (відключення від конденсатора, скидання розрідження та подання води) і сьома - пропарювання апарату.
З більш ніж десяти типів модельних конструкцій UML - діаграм, що дозволяють розглядати систему під різними кутами зору, в роботі для відображення статики і динаміки системи використані основні типи діаграм: класів, яка показує статичну структуру системи; послідовності, яка показує часову послідовність використання об'єктів; стану, що визначає послідовність станів об'єкта в залежності від зовнішніх подій; діяльності, що описує зміну стану об'єкта в залежності від внутрішніх дій [56].
Діаграма класів (class diagram) служить для подання статичної структури моделі і не залежать від часу. Визначає типи об'єктів системи і різні статичні зв'язки та відношення між ними. На діаграмі клас зображують прямокутником, що поділений горизонтальними лініями на три секції: верхня містить ім'я класу, середня - перелік атрибутів - функцій, що керують вхідними і вихідними потоками; нижня - перелік операцій (описують поведінку об'єктів класу). Для того, щоб побудувати цю діаграму треба спочатку виділити у системі окремі, відносно незалежні компоненти та визначити, яким чином вони взаємозв'язані. Двома основними компонентами комплексу, що розглядається, є АПД та контролер. Контролер надсилає об'єкту сигнали керування вентилями U1-U8. Для правильного керування об'єктом контролеру необхідно врахувати значення рівнів, вміст сухих речовин, інтервалів часу, та інші величини. Таким чином контролер представлений класом Controller, який містить атрибути. До атрибутів віднесені рівень, коефіцієнт пересичення, температура, тиск в АПД, сигнали на відкриття (закриття) вентилів U1-U8. Враховуючи багатостадійність технологічного процесу, в АПД проведена декомпозиція системи на кілька частин, кожна з яких буде відповідати за керування технологічним процесом на певній стадії. Перша стадія відповідає завантаженню апарату. Послідовність завантаження апарату залежить від рівня. Операції, які починають працювати при мінімальному рівні - відкриття вентилів 1 та 4 (рис.1.1 та 2.1). Перехід до другої стадії згущення сиропу - це виконання умов першої, потім при досягненні потрібного рівня сиропу в апараті, тиску та температури - закривається клапан 1 і відкривається 7. Утворення кристалів відбувається при досягненні заданої температури утфелю і тиску в вакуум-апараті. Відкривається клапан 2, а після певної часової затримки клапан 2 закривається. Четверта стадія теж пов'язана з часом відкриття вентиля 1. П'ята стадія починається при досягненні певного рівня та вмісту сухих речовин утфелю, після чого закриваються клапани і відкривається клапан 7. Шоста стадія вивантаження утфелю пов'язана з кінцевим досягненням вмісту сухих речовин в утфелі та затримкою у часі, при закритті клапана 4 та відкритті 3 та 8. Остання стадія пропарювання - сьома, починається при досягненні заданого рівня і часу, і тоді відбувається відкриття клапана 6, закриття 6 та 8 клапанів. Об'єкт представлений класом Apparatus, атрибути - функції, що керують вхідними та вихідними потоками, рівень, вміст сухих речовин та температура утфелю. Операції - керування потоками.
Рис.2.1. Діаграма класів
Діаграма послідовності (sequence diagram) Часовий аспект перебігу процесу може мати істотне значення при моделюванні таких процесів, що описують взаємодію об'єктів. Саме для цієї мети в мові UML використаються діаграми послідовності.
Об'єкт ВАПД є динамічним. За допомогою діаграми послідовності можна описати повний контекст взаємодій як своєрідний часовий графік "життя". Часові інтервали задаються технологічним регламентом. За допомогою цієї діаграми можливо проаналізувати часову послідовність стадій і операцій циклу та їх залежність від характеристик утфельног